通过堆叠顺序设计优化混合剑麻/芳纶纤维增强环氧复合材料的机械性能和弹道性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Optimizing mechanical and ballistic properties in hybrid sisal/aramid fabrics reinforced epoxy composites through stacking sequence design

研究 sisal 和 aramid 纤维环氧树脂基混合复合材料的层压顺序对力学和弹道性能的影响。结果表明，6S/6A 块层压顺序在9mm弹道测试中吸收能量最高（244 J/cm），成本降低23%，合成纤维使用减少50%。微观分析显示 aramid/环氧界面结合力弱，导致分层失效，但 sisal 纤维的孔隙结构增强能量耗散。结论：混合复合材料通过优化层压顺序和纤维组合实现性能与成本平衡，适用于结构及弹道防护。

　　本研究聚焦于通过不同层叠结构设计的天然纤维与合成纤维混合复合材料的机械性能和弹道性能。研究团队通过一系列实验，探索了这些复合材料在不同层叠配置下的表现，包括弯曲测试和弹道测试，同时结合经济性分析，旨在为开发更具成本效益和可持续性的材料提供理论依据和实践指导。研究结果表明，通过合理设计层叠结构，可以在不牺牲性能的前提下，显著降低材料成本，提高环境友好性。

在实验中，研究团队使用了环氧树脂作为基体材料，并采用了两种主要的纤维材料：芳纶纤维（A）和剑麻纤维（S）。通过构建不同层叠结构的复合材料样本，包括6层剑麻和6层芳纶的块状层叠（6S/6A），以及具有不同层叠顺序的复合材料，如[1A/1S]?和[3A/1S]?等，评估了它们在弯曲和弹道测试中的表现。实验结果表明，虽然芳纶纤维在机械性能方面具有显著优势，但通过合理设计复合材料的层叠顺序，可以实现性能与成本之间的平衡。

在弯曲测试中，研究团队发现6S/6A复合材料的弯曲强度（116 MPa）与12A复合材料（143 MPa）相比具有竞争力。此外，[1A/1S]?复合材料在弹性模量（4 GPa）和弯曲韧性（7×10? J/m3）方面表现突出。这些结果表明，虽然芳纶纤维在某些方面具有优势，但通过与剑麻纤维的合理组合，可以实现更高的综合性能。研究还指出，6S/6A复合材料的弯曲强度显著高于6A/6S复合材料，这可能与剑麻纤维在受力面的分布有关，表明层叠顺序对材料的机械性能具有重要影响。

在弹道测试方面，研究团队使用了7.62毫米和9毫米口径的子弹进行测试，以评估不同层叠结构对弹道性能的影响。对于7.62毫米子弹，统计分析（ANOVA）显示不同层叠结构对能量吸收没有显著影响，这表明在高能冲击条件下，材料的性能可能更多地取决于纤维本身的特性，而非层叠顺序。然而，在9毫米子弹测试中，6S/6A复合材料表现出最佳的能量吸收能力，吸收能量达到244 J/cm，同时相比完全由芳纶纤维强化的12A复合材料，成本降低了23%，合成纤维使用量减少了50%。这表明，通过将剑麻纤维与芳纶纤维结合，可以在不牺牲性能的前提下实现显著的成本节约。

研究团队还对复合材料的断裂机制进行了分析，发现芳纶纤维与环氧树脂之间的界面粘附性较差，导致部分或完全的层间剥离。这种剥离现象虽然降低了材料的强度，但增加了能量吸收，从而提高了弹道性能。相比之下，剑麻纤维与环氧树脂之间的粘附性较好，能够有效分散冲击能量。通过扫描电子显微镜（SEM）的观察，进一步证实了这些断裂机制的存在，并揭示了不同层叠结构对材料性能的影响。

此外，研究团队还进行了经济性分析，发现6S/6A复合材料和3A/6S/3A复合材料的总成本分别为3.31美元和3.68美元，相较于12A复合材料的4.27美元，成本降低了约23%。这表明，通过部分替换芳纶纤维为剑麻纤维，可以在不显著影响性能的情况下，大幅降低材料成本。同时，剑麻纤维的使用还减少了对合成材料的依赖，从而降低了环境影响，符合可持续发展的需求。

综上所述，本研究通过实验和分析，揭示了不同层叠结构对芳纶/剑麻混合复合材料机械性能和弹道性能的影响。研究结果表明，6S/6A层叠结构在弯曲强度和弹道性能方面表现优异，同时具有显著的经济优势。这些发现为开发高性能、低成本和环境友好的复合材料提供了新的思路，并为未来在结构和弹道防护领域的应用奠定了基础。尽管如此，研究团队也指出，这些复合材料在长期使用中的耐久性仍需进一步研究，特别是针对环境因素如紫外线辐射、高湿度和盐雾暴露的影响。因此，未来的研究应关注如何通过化学处理提高芳纶纤维与环氧树脂之间的粘附性，并评估这些复合材料在多层防护系统中的实际应用效果。通过结合高性能材料与低成本、可持续的天然纤维，芳纶/剑麻混合复合材料有望成为下一代弹道防护材料的重要候选。